SU1092335A1

SU1092335A1 - Method of cooling objects

Info

Publication number: SU1092335A1
Application number: SU823452471A
Authority: SU
Inventors: Борис Павлович Батраков; Вадим Александрович Кравченко; Юрий Николаевич Волков
Original assignee: Предприятие П/Я В-8851
Priority date: 1982-06-10
Filing date: 1982-06-10
Publication date: 1984-05-15

Abstract

СПОСОБ ЗАХОЛАЖИВАНИЯ ОБЪЕКТОВ с помощью криогенной установки путем ступенчатого охлаждени сжатого пр мого потока криоагента обратным потоком и жидкими хладагентами и отвода тепла от объекта охлаждённым криоагентом, о т л и ч а ю щ. и и с тем, что, с целью повышени экономичности , обратный поток перед охлаждением им пр мого потока поочередно охлаждают на каждой из ступеней , начина с самой теплой, парами хладагентов этих ступеней, причем охлаждение обратного потока на каждой ступени провод т до достижени i им температуры хладагента этой ступени . (ЛMETHOD FOR COOLING OBJECTS using a cryogenic plant by stepwise cooling the compressed direct flow of a cryoagent by a backflow and liquid refrigerants and removing heat from the object by a cooled cryoagent. and in order to improve efficiency, the reverse flow is cooled alternately at each of the stages before cooling the forward flow, starting with the warmest, refrigerant vapors of these steps, and cooling the reverse flow at each step until refrigerant temperature of this stage. (L

Description

Изобретение относитс к технике низких температур, а именно к методам захолаживани низкотемпературных объектов с помощью криогенной установки , и может быть использовано дл охлаждени от комнатной до рабочей температуры различных криогенных объектов, таких как сверхпровод щие магнитные системы и линии электропередачи , охлаждаемые магниты, большие пузырьковые камеры, откачивающие элементы конденсационных и адсорбционных насосов большой производительности и др. Примен ютс различные способы захо--15 ных The invention relates to a low temperature technique, namely to methods for cooling down low temperature objects using a cryogenic plant, and can be used to cool various cryogenic objects, such as superconducting magnetic systems and power lines, cooled magnets, large bubble chambers from room temperature to operating temperature. , pumping elements of condensation and adsorption pumps of high capacity, etc. Various methods are used.

лаживани криогенных объектов с помощью рефрижераторов, причем предварительное захолаживание производитс газообразным криоагентом, например гелием, который последовательно охлаждаетс на различных температурных уровн х С 1 3.fouling of cryogenic objects, and the preliminary cooling down is carried out with a gaseous cryoagent, for example helium, which is subsequently cooled at different temperature levels C 1 3.

Однако данные способы захолаживани криогенных объектов с помощью потока охлажденного газа не позвол ют полностью использовать холод выход щего из охлаждаемого объекта обратного потока газа во всем температур- HCi,: диапазоне охлаждени (от комнатной температуры до рабочей),However, these methods of cooling the cryogenic objects with the help of a cooled gas flow do not allow to fully use the cold return gas flow leaving the cooled object throughout the entire temperature - HCi,: cooling range (from room temperature to operating)

Известен способ захолаживани .криогенных объектов потоком охлажденного газообразного гели , заключающийс в том, что в процессе охлаждени объекта от комнатной температуры пр мой поток газообразного гели . охлаждаетс вначале парами испар ющегос хладагента (азота) и возвращающимс из объекта обратным потоком гели , затем он охлаждаетс жидким о хладагентом (азотом) и поступает к охлаждаемому объекту 2. Дл дальнейшего понижени температуры объекта (ниже температуры жидкого азота) предусмотрено охлаждение пр мого поЛка на более низких температурных уровн х и подача его к захолаживаемому объекту С2ХA known method of cooling the cryogenic objects with a stream of cooled gaseous helium, which means that in the process of cooling the object from room temperature, there is a direct flow of gaseous helium. cools first with vapor of the evaporating refrigerant (nitrogen) and returning helium from the object, then it is cooled with liquid and refrigerant (nitrogen) and goes to the cooled object 2. To further reduce the temperature of the object (below the temperature of liquid nitrogen) lower temperature levels and its supply to the cooled object C2X

Недостаток этого способа - неэкономичность , обусловленна болышм ргасходом жидкого хладагента (азота) в начальный период захолаживани от комнатной температуры. Это св зано с неэффективностью использовани обратного потока в начальный период захолаживани объекта, так как использование обратного потока при данном способе захолаживани термодинамически невыгодно. Кроме того, в данномThe disadvantage of this method is uneconomical, due to the large discharge of liquid refrigerant (nitrogen) in the initial period of cooling from room temperature. This is due to the inefficiency of using backflow in the initial period of cooling the object, since the use of reverse flow with this method of cooling down is thermodynamically unprofitable. In addition, in this

способе предусмотрен ввод обратного потока газа только на один наиболее низкий температурный уровень, что также снижает эффективность использовани обратного потока криоагента. Известен также способ захолаживани объектов с помощью криогенной установки путем ступенчатого охлаждени сжатого пр мого потока криоагента обратным потоком и жидкими хладагентами и отвода тепла от объекта охлажденным криоагентом. В данном способе предусмотрен ввод обратного потока на три различных температурл ет использовать довольно большую часть холода, запасенного обратным потоком.The method provides for introducing a reverse gas flow to only one of the lowest temperature levels, which also reduces the efficiency of the use of the reverse flow of the cryoagent. There is also known a method for cooling the objects using a cryogenic plant by means of stepwise cooling of the compressed direct flow of the cryoagent with a backflow and liquid refrigerants and removal of heat from the object by the cooled cryoagent. This method provides for the introduction of a return flow at three different temperatures to use a rather large part of the cold stored by the return flow.

Этот способ заключаетс в сжатии пр мого потока криоагента, охлаждении пр мого потока в газовом теплообменнике парами жидких хладагентов и обратным потоком криоагента и в охлаждении пр мого потока в жидкостных теплообменниках на каждом температурном уровне. На наиболее низком температурном уровне производитс охлаждение пр мого потока обратным потоком и неожижившейс частью пр мого потока и дальнейшее охлаждение объекта потоком жидкого или газообразного криоагента. Способ позвол ет вводить обратный поток на три различных температурных уровн , причем охлаждение обратным потоком на каждом температурном уровне ведут после до- стижени обратным потоком криоагента. температуры жидкого хладагента данного температурного уровн 31.This method consists in compressing the direct flow of the cryoagent, cooling the direct flow in the gas heat exchanger with vapor of liquid refrigerants and the return flow of the cryoagent and cooling the direct flow in the liquid heat exchangers at each temperature level. At the lowest temperature level, the direct flow is cooled by a reverse flow and an unexploited portion of the direct flow and further cooling of the object by a stream of a liquid or gaseous cryogenic agent. The method allows the return flow to be introduced at three different temperature levels, with cooling by return flow at each temperature level is carried out after reaching the reverse flow of the cryoagent. liquid refrigerant temperature at a given temperature level of 31.

Однако при таком использованииHowever, with this use

обратйого потока его техпература всегда не вьше, чем температура паров Жидкого хладагента на каждом температурном уровне. При таком способе испольс зовани холода, запасенного обратным потоком, он не может быть использован оптимальным образом. Так, совсем не используетс обратный поток в интерва ле температур 300-78 К. Использование обратного потока на более низких тем пературных уровн х также вл етс неоптимапьным в св зи с тем, что не используетс холод обратного потока на каждом температурном уровне до достижени обратным потоком температуры жидкого хладагента этого уровн Недостаточна эффективность испох зовани обратного потока при данном способе захолаживани значительно уровн , т.е. данный способ позвоувеличивает расходы жидких хладагентов в соответствующих ваннах, особен но высококип щих жидкостей, в данном случае азота, и в меньшей степени во дорода. Целью изобретени вл етс повьшение экономичности. Указанна цель достигаетс тем, ITO согласно способу захолаживани объектов с помощью криогенной установки путем ступенчатого охлаждени сжатого пр мого потока криоагента об ратным потоком и жидкими хладагентами и отвода тепла от объекта охлажденны криоагентом, обратный поток перед охлаждением им пр мого потока поочередно охлаждают на каждой из ступене начина с самой теплой, парами хладагентов этих ступеней, причем охлаждение обратного потока на каждой сту пени провод т до достижени им темпе ратуры хладагента этой ступени. На чертеже изображена схема установки , реализующей предлагаемый способ . Устройство, реализующее способ, содержит компрессор 1 дл сжати газа , теплообменники 2-6, ванны 7,8 и 9 дл жидких хладагентов, в которых размещены змеевики 10, 11 и 12, дроссель-вентиль 13 и систему коммутирующих вентилей 14-19. На чертеже также схематически изображен охлажда емый объект 20. Способ реализуют следующим образом . Хладагент (жидкий азот) подают в ванну 7. В этот период вентили 15-18 и дроссель-вентиль 13 закрыты, а вентили 14 и 19 открыты. Сжатый компрессором 1 крйоагент (гелий) направ л ют в теплообменник 2, где его охлаждают теплым потоком, а затем пропуска через змеевик 10, расположен ный в ванне 7, охлаждают жидким азотом и подают в захолаживаемый объект При этом возвращающийс из объекта обратный поток крисагента, имеющий посто нно снижающуюс температуру, охлаждают парами жидкого хладагента из ванны 7 в теплообменнике 5, после чего этот обратный поток охлаждает пр мой поток в теплообменнике 2 и поступает на вход компрессора 1. Ког да темп охлаждени становитс меньшим оптимального темпа охлаждени , вентиль 14 закрывают и открывают вен тиль 15, а затем заливают жидкий хла агент (водород) в ванну 8. После дост жени обратным потоком на выходе из охлаждаемого объекта 20 температуры жидкого хладагента (азота), залитого в ванну 7, обратный поток начинают охлаждать парами жидкого хладагента (водорода) последующего, более низкого температурного уровн . Дл этого вентиль 19 закрывают и открывают вентиль 18. На этом этапе пр мой поток последовательно охлаждают в теплообменнике 2 обратным потоком и парами жидкого хладагента более низкого температурного уровн (парами водорода), после чего этот пр мой поток охлаждают жидким азотом, залитым в ванну 7. Затем пр мой поток охлаждают обратным потоком втеплообменнике 3, пропуска его через змеевик I1,.расположенный в ванне 8, охлаждают жидким водородом. Охлажденный таким образом пр мой поток направл ют в захолаживаемый объект. Возвращающийс из объекта обратный поток криоагента охлажд-ают в теплообменнике б парами жидкого хладагента (последующего, более низкого температурного уровн ) из ванны 8 (парами водорода), после чего этот обратный поток охлаждает пр мой поток последовательно в теплообменниках 3 и 2 и поступает на вход компрессора 1. Когда темп охлаждени объекта становитс меньше оптимального темпа охлаждени , закрывают вентиль 15 и начинают дросселирование криоагента через дроссель-вентиль 13. Открывают вентиль 16, по которому проходит часть, пр мого потока криоагента, предназначенна непосредственно дл захолаживани объекта 20. . После достижени обратным потоком температуры жидкого хладагента (водорода ) на этом температурном уровне обратный поток начинают охлаждать парами жидкого хладагента (в данном случае криоагента - гели ) последующего более низкого температурного уровн . Дл .этого вентиль 18 закрывают , открывают вентиль 17, а обратный поток охлаждает пр мой поток последовательно в теплообменниках 4, 3 и 2. После этого происходит окончательное захолаживание объекта 20 до температуры криостатировани . Такой способ охлаждени позвол ет эффективно использовать холод возвращающегос из захолаживаемого объекта обратного потока газа во всем температурном диапазоне охлаждени , начина от комнатной температуры, что при водит к значительной экоцомии жидкого хладагента в процессе эахолаживани криогенных объектов. Преимущества предлагаемого способа по сравнению с известными заключаютс в том,.что обратный поток газа, имеющий в процессе захолаживани объекта переменную температуру, вначале доохлаладаетс парами жидкого хладагента а затем уже обратный поток охлаждает пр мой. Это позвол ет эффективно использовать холод обратного потока в течение всего процесса захолаживани независимо от того, с какой температурой обратный поток выходит из эахолаживаемого объекта. Возможность использовани обратного потока на температурном уровне, где температура жидкого хладагента ниже температуры обратного потока (т.е. обратный поток используетс на самом низком температурном уровне, который возможен при температуре обратного потока в данный момент), делает предлагаемый способ экономичнее Благодар тому, что обратный поток криоагента сначала доохлаждаетс парами жидкого хладагента данного температурного уровн , а затем охлаждает пр мой поток, не используетс (выбрасываетс )только часть холода паров жидкого хладагента наиболее высокого температурного уровн (на наиболее низком температурном уровне пары используютс полностью; остатки холода паров промежуточных хладагентов также частично могут использоватьс на более высоких температурных уровн х). Холод выбрасываетс после того, как пары достигнут температуры обратного потока, т.е. выбрасываетс холод в интервале: температура обратного потока - температура окружающей среды. Этот интервал по мере охлаждени объекта увеличиваетс , но количество паров резко уменьшаетс как и абсолютна величина неиспользовагаюго холода. При этом полностью используетс холод обратного потока (исключа естественную недорекуперацию). В известном способе абсолютна величина неиспользованного холода рас тет по мере охлаждени объекта. За счет этой разницы получаетс термодинамический выигрыш в данном способе . Конструктивно данный способ захолаживани криогенных объектов можно реализовать с помощью теплообменников - приставок к имеющимс криогенным установкам без существенного дополнительного изменени их схем.the reverse flow of its temperature is always not higher than the temperature of the vapor of the Liquid refrigerant at each temperature level. With this method, using the cold stored by the reverse flow, it cannot be used optimally. Thus, a reverse flow is not used at all in the temperature range of 300-78 K. The use of a reverse flow at lower temperature levels is also non-standard due to the fact that the cold of the reverse flow is not used at each temperature level until it reaches the reverse flow. The temperature of the liquid refrigerant at this level. The efficiency of the reverse flow is not sufficient with this method of cooling down a significant level, i.e. This method increases the consumption of liquid refrigerants in the respective baths, especially high-boiling liquids, in this case nitrogen, and to a lesser extent hydrogen. The aim of the invention is to increase efficiency. This goal is achieved by ITO according to the method of cooling the objects using a cryogenic plant by stepwise cooling the compressed forward flow of the cryoagent by the backflow and liquid refrigerants and heat removal from the object is cooled by the cryoagent, the reverse flow is cooled alternately before cooling the forward flow by alternately cooling each stage starting with the warmest, refrigerant vapors of these stages, and the reverse flow cooling at each stage is carried out until it reaches the refrigerant temperature of this stage. The drawing shows a diagram of the installation that implements the proposed method. The device implementing the method comprises a compressor 1 for compressing gas, heat exchangers 2-6, baths 7.8 and 9 for liquid refrigerants in which coils 10, 11 and 12 are placed, throttle valve 13 and a system of switching valves 14-19. The drawing also shows schematically the object to be cooled 20. The method is implemented as follows. The refrigerant (liquid nitrogen) is fed to the bath 7. During this period, the valves 15-18 and the throttle valve 13 are closed, and the valves 14 and 19 are open. The compressor (helium) compressed by compressor 1 is sent to heat exchanger 2, where it is cooled with a warm stream, and then passed through a coil 10 located in bath 7, cooled with liquid nitrogen and fed to the cooled object. having a constantly decreasing temperature, is cooled by liquid refrigerant vapors from the bath 7 in the heat exchanger 5, after which this reverse flow cools the direct flow in the heat exchanger 2 and enters the inlet of the compressor 1. When the cooling rate becomes less than at a rate of cooling, the valve 14 closes and opens the fan 15, and then pours the liquid chla agent (hydrogen) into the bath 8. After the reverse flow at the outlet of the cooled object 20 reaches the temperature of the liquid refrigerant (nitrogen) poured into the bath 7, reverse the flow is started to be cooled with vapors of the liquid coolant (hydrogen) of the subsequent lower temperature level. To do this, the valve 19 is closed and the valve 18 is opened. At this stage, the direct flow is successively cooled in the heat exchanger 2 by reverse flow and liquid refrigerant vapor at a lower temperature level (hydrogen vapor), after which this direct flow is cooled with liquid nitrogen poured into the bath 7 Then, the forward flow is cooled by reverse flow in the heat exchanger 3, it is passed through a coil I1, located in the bath 8, cooled with liquid hydrogen. The direct flow thus cooled is directed to the object to be cooled. The return flow of the cryoagent returning from the object is cooled in the heat exchanger with vapor vapor of the liquid refrigerant (subsequent lower temperature level) from the bath 8 (hydrogen vapor), after which this reverse flow cools the forward flow in series in heat exchangers 3 and 2 and enters the inlet compressor 1. When the cooling rate of the object becomes less than the optimum cooling rate, close valve 15 and begin throttling the cryoagent through the throttle valve 13. Open valve 16, through which the direct, the current of the cryoagent intended directly for cooling the object 20.. After the reverse flow of the temperature of the liquid refrigerant (hydrogen) at this temperature level, the reverse flow begins to be cooled with liquid refrigerant vapor (in this case, the cryoagent — gels) of the subsequent lower temperature level. For this, the valve 18 is closed, the valve 17 is opened, and the reverse flow cools the direct flow in series in heat exchangers 4, 3 and 2. After this, the final cooling down of the object 20 to the cryostat temperature occurs. This cooling method makes it possible to efficiently use the cold gas return flow returning from the cooled object in the entire temperature range of cooling, starting from room temperature, which leads to a significant eco-commerce of the liquid refrigerant during the process of cooling off cryogenic objects. The advantages of the proposed method in comparison with the known ones are that the reverse gas flow, which has a variable temperature during the cooling down of the object, first cools down with liquid refrigerant vapor and then the reverse flow cools the direct one. This makes it possible to effectively utilize the cold of the return flow during the entire cooling down process, regardless of the temperature at which the return flow exits the object to be cooled. The ability to use the return flow at a temperature level where the temperature of the liquid refrigerant is below the return temperature (i.e., the return flow is used at the lowest temperature level that is possible at the return temperature at the moment) makes the proposed method more economical. the cryoagent flow is first cooled by liquid refrigerant vapors of a given temperature level, and then the direct flow is cooled, only part of the liquid vapor of the liquid is not used (ejected) th highest coolant temperature level (at the lowest temperature level pairs are used completely; cold intermediate refrigerant vapor residues also may be used partially for the higher temperature levels). Cold is released after the vapors have reached the return temperature, i.e. cold is ejected in the range: return temperature - ambient temperature. This interval increases as the object cools, but the number of vapors decreases sharply, as does the absolute value of unutilized cold. This fully utilizes the cold of the reverse flow (excluding the natural under-recovery). In the known method, the absolute value of unused cold increases as the object cools. Due to this difference, the thermodynamic gain in this method is obtained. Structurally, this method of cooling cryogenic objects can be implemented using heat exchangers - attachments to existing cryogenic plants without significant additional changes in their schemes.

жидн.liquid

Claims

METHOD FOR COOLING OBJECTS using a cryogenic installation by stepwise cooling the compressed direct cryoagent stream with reverse flow and liquid refrigerants and removing heat from the object with a cooled cryoagent, characterized in that, in order to increase the cost-effectiveness, the return flow before cooling by direct flow is cooled on each of them stages, starting with the warmest, with pairs of refrigerants of these stages, and the return flow at each stage is cooled until it reaches the temperature of the refrigerant of this stage neither.